王相增

（泰安市廣播電視臺，山東 泰安 271000）

0 引言

隨著廣播電視業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高清化進程不斷推進，傳統(tǒng)模擬音視頻技術(shù)逐漸顯露出傳輸容量有限、抗干擾能力差等弊端，已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)代廣播電視制作和傳輸對高質(zhì)量、高可靠性的需求。在這種背景下，網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）化技術(shù)為廣播電視傳輸系統(tǒng)提供了新的應(yīng)用方向?；贗P 的數(shù)據(jù)包傳輸方式IP 化音頻（Audio over IP，AoIP），具有容量大、抗干擾強等優(yōu)勢，可實現(xiàn)不同格式音視頻信號的傳輸與處理，非常適合在廣播電視環(huán)境下使用。尤其是在廣播電視基帶架構(gòu)層，AoIP 技術(shù)可充分發(fā)揮作用，完成從采集端到發(fā)射端各環(huán)節(jié)的音視頻傳輸任務(wù)。文章擬通過闡釋AoIP 技術(shù)原理、分析基帶架構(gòu)特征，重點探討AoIP 在基帶架構(gòu)中的具體應(yīng)用效果，以期為行業(yè)推廣AoIP 技術(shù)提供參考借鑒。

1 AoIP 技術(shù)概述

1.1 AoIP 定義及通行標準

AoIP 技術(shù)在國內(nèi)外均沒有統(tǒng)一的標準。業(yè)界組織和企業(yè)紛紛制定和推廣各自的AoIP 技術(shù)規(guī)范，形成多元化的技術(shù)生態(tài)。國際上AoIP 技術(shù)標準主要有AES67 和RAVENNA 兩大類。AES67 是美國音頻工程學(xué)會（Audio Engineering Society，AES）推出的公開標準，用于以太網(wǎng)音頻流互，定義了音頻信號在IP 網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)耐ㄓ媚Ｊ?，使得不同廠家的網(wǎng)絡(luò)音頻設(shè)備可以互聯(lián)互通。AES67 標準采用通用的IP 包結(jié)構(gòu)，支持各種音頻信號格式，可直接在標準以太網(wǎng)交換機上運行，非常適合在專業(yè)音頻系統(tǒng)中使用。RAVENNA 是ALC NetworX 公司推出的實時數(shù)字媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范，利用IP 標準封裝音視頻流，實現(xiàn)低延時穩(wěn)定傳輸，可應(yīng)用于要求高可靠性和靈活性的專業(yè)廣播系統(tǒng)。目前，AES67 標準和RAVENNA 規(guī)范廣受行業(yè)認可，成為廣播電視傳輸IP 化改造的首選技術(shù)方案[1]。

1.2 AoIP 的應(yīng)用優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)依賴專用線纜的模擬音視頻傳輸方式，AoIP 技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，在廣播電視播出系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。首先，AoIP 系統(tǒng)基于標準以太網(wǎng)構(gòu)建，可提供10 Gb·s-1的巨大網(wǎng)絡(luò)信道容量，完全滿足高清甚至更高規(guī)格制作信號的傳輸需求，可利用優(yōu)先級與時延控制等機制實現(xiàn)毫秒級的傳輸延遲，基本達到廣播級別的超低延遲要求。其次，AoIP 支持AES67、RAVENNA 等公開協(xié)議的AoIP 設(shè)備直接互聯(lián)互通，實現(xiàn)多廠商設(shè)備無縫銜接和兼容共用，大大簡化了系統(tǒng)集成過程。IP網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)建備份冗余架構(gòu)，AoIP 關(guān)鍵設(shè)備也可配置熱備機制，從根本上提高系統(tǒng)可靠性，還可實現(xiàn)基于標準網(wǎng)絡(luò)對音視頻流進行靈活分布式處理，打破傳統(tǒng)集中矩陣的限制，部署更加靈活。AoIP 系統(tǒng)可按需擴充網(wǎng)絡(luò)帶寬、節(jié)點數(shù)量等，同時IP 化也可降低設(shè)備成本，減少布線，是建設(shè)靈活高效、可靠可擴展的未來廣播系統(tǒng)的理想技術(shù)選擇。

2 基帶架構(gòu)的廣播播控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)概述

基帶架構(gòu)是當(dāng)前廣播電視系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的技術(shù)方案，系統(tǒng)架構(gòu)可劃分為制作層、基帶核心層和發(fā)射層3 個層面。制作層主要包括攝影棚、導(dǎo)播控制室等，通過各類攝像機、錄播機及視頻路由器等設(shè)備完成節(jié)目制作和導(dǎo)播功能，最終輸出多路高清串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）視頻信號和音頻工程協(xié)會（Audio Engineering Society，AES）/歐洲廣播聯(lián)盟（European Broadcasting Union，EBU）標準數(shù)字音頻信號到基帶層?；鶐Ш诵膶邮钦麄€系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包含信號采集編碼設(shè)備、流媒體傳輸交換設(shè)備、制播自動化系統(tǒng)以及信號編碼轉(zhuǎn)換設(shè)備等。采集編碼設(shè)備負責(zé)對制作層輸出的SDI/AES信號進行數(shù)字化采集和實時編碼壓縮，以降低信號傳輸帶寬需求。流媒體傳輸交換設(shè)備在編碼器和解碼器之間提供多路信號的傳輸和交換功能。制播自動化系統(tǒng)實現(xiàn)對信號流程的預(yù)編排和自動控制，編碼轉(zhuǎn)換設(shè)備完成信號格式如編碼標準、接口類型等的轉(zhuǎn)換。經(jīng)基帶層處理后的信號被送到發(fā)射層的發(fā)射機房進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和頻率調(diào)制，形成射頻信號后通過發(fā)射天線發(fā)送。制作層源信號通過基帶層的采集編碼、流媒體傳輸和轉(zhuǎn)換處理，最終以無線電信號形式覆蓋發(fā)射，其中基帶層處理起著“源匯轉(zhuǎn)換”的關(guān)鍵作用。

2.2 基帶采集和分發(fā)

基帶架構(gòu)中，對源制作信號的數(shù)字化采集處理和對壓縮編碼后流媒體的分發(fā)傳輸是兩個關(guān)鍵過程。在采集端，系統(tǒng)需要使用專業(yè)編碼器對高清SDI 視頻信號和AES/EBU 數(shù)字音頻信號進行數(shù)字捕獲和實時編碼壓縮處理。視頻信號一般采用MPEG-2 或H.264 等影視編碼標準進行壓縮編碼，以減少視頻數(shù)據(jù)量。音頻信號則采用高級音頻編碼（Advanced Audio Coding，AAC）、動態(tài)影像專家壓縮標準音頻層面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III，MP3）等數(shù)字音頻編碼算法編碼。采集端編碼器輸出的多路壓縮音視頻碼流經(jīng)過流媒體傳輸交換設(shè)備進行集中和信號流程處理，然后進行對應(yīng)分發(fā)。在分發(fā)端，流媒體交換設(shè)備根據(jù)信號流預(yù)配置，將不同編碼器輸出的視頻、音頻碼流分發(fā)到對應(yīng)解碼設(shè)備。解碼器對壓縮碼流進行解碼還原，最終轉(zhuǎn)換并輸出為SDI 視頻和AES/EBU 數(shù)字音頻信號，供各類播出系統(tǒng)使用?；鶐硬杉头职l(fā)系統(tǒng)需要確保源信號在編碼傳輸全過程中質(zhì)量無損，編碼處理引入的視頻音頻延遲控制在百毫秒級以內(nèi)，滿足廣播制作的超低延遲需求[2]。

3 AoIP+基帶架構(gòu)在廣播播控中的技術(shù)應(yīng)用

3.1 廣播環(huán)境AoIP 的部署

在廣播電視環(huán)境下部署AoIP 系統(tǒng)，需要打造高帶寬的骨干網(wǎng)絡(luò)，建議核心層使用40 Gb·s-1以上設(shè)備，采用冗余結(jié)構(gòu)，確保有足夠帶寬資源傳輸高清音視頻業(yè)務(wù)，充分利用IP 系統(tǒng)的優(yōu)勢，在核心交換機、時間同步服務(wù)器等關(guān)鍵節(jié)點設(shè)備實現(xiàn)雙機熱備機制，并在網(wǎng)絡(luò)層面建立多條線路異步冗余，實現(xiàn)單點故障的冗余容錯。還要利用訪問控制列表（Access Control Lists，ACL）策略、虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）隔離及流量控制等方式實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保障，為關(guān)鍵業(yè)務(wù)劃分優(yōu)先級，防止非關(guān)鍵報文對關(guān)鍵流的競爭影響。系統(tǒng)要具有良好的可擴展性，可按需逐步擴充帶寬、節(jié)點數(shù)量，平滑過渡到全IP 系統(tǒng)，選擇兼容公開標準的設(shè)備與軟件，保證不同廠家系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，提供統(tǒng)一的控制管理接口，實現(xiàn)與上層自動化系統(tǒng)、下層監(jiān)控系統(tǒng)的無縫連接[3]。

3.2 音視頻流分發(fā)處理

在AoIP+基帶架構(gòu)系統(tǒng)中，對源站輸出的數(shù)字化音視頻流進行智能化分發(fā)處理是整個系統(tǒng)的核心功能之一。系統(tǒng)可支持SDI 視頻信號和AES 數(shù)字音頻信號向流媒體進行編碼轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同接口信號向IP 格式的無縫融合。轉(zhuǎn)換后的音視頻IP 流可進行按需復(fù)制分發(fā)，一路流源可以多通道服務(wù)，按1 ∶N 形式分發(fā)至多個終端用戶。系統(tǒng)還可對流媒體內(nèi)容進行智能分析，處理版權(quán)保護、敏感信息過濾等工作。流數(shù)據(jù)的IP 網(wǎng)絡(luò)傳送一般選擇符合行業(yè)標準的流媒體傳輸協(xié)議，以獲得高效、穩(wěn)定的傳輸服務(wù)質(zhì)量，在轉(zhuǎn)發(fā)流數(shù)據(jù)的同時，系統(tǒng)可插入增值處理，對視頻圖像進行裁切、疊加等處理，提供個性化的媒體體驗。考慮到用戶終端的多樣性，系統(tǒng)可按需對音視頻流進行多屏服務(wù)，轉(zhuǎn)換編碼標準、分辨率和碼率。在流量傳輸中，系統(tǒng)還會實時監(jiān)控分發(fā)鏈路狀態(tài)，保證傳輸?shù)馁|(zhì)量指標，并可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量情況，對流媒體進行智能調(diào)度和路徑優(yōu)化，平衡網(wǎng)絡(luò)資源分配[4]。

3.3 系統(tǒng)同步方案

在基于IP 網(wǎng)絡(luò)的新型廣播系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)各類設(shè)備之間的精準同步，可以考慮采取以下技術(shù)方案。第一，采用電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）1588精確時間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）進行網(wǎng)絡(luò)級別的同步。該協(xié)議通過在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間交換特殊的時鐘同步報文，實現(xiàn)對時間和頻率的快速鎖定。PTP 協(xié)議可以達到微秒級的時鐘精度，完全滿足廣播對高精度同步的要求。第二，采用電影和電視工程師協(xié)會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定的2059 標準。該標準為一整套面向媒體行業(yè)IP 系統(tǒng)同步的技術(shù)規(guī)范，定義了同步的協(xié)議格式，規(guī)定了同步網(wǎng)絡(luò)的拓撲、設(shè)備類型及管理機制等，可以使不同廠家設(shè)備在IP 系統(tǒng)中實現(xiàn)同步。第三，同步以太網(wǎng)是一種主要在物理層實現(xiàn)同步的技術(shù)，通過對以太網(wǎng)信號進行編碼，在物理連接上攜帶精準時鐘信息，以達到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的頻率同步。該技術(shù)可以與PTP 協(xié)議配合使用。第四，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）衛(wèi)星接收。GPS 提供了一種非常精準和統(tǒng)一的時間頻率基準，許多廣播系統(tǒng)會綜合利用GPS 時鐘進行大范圍的系統(tǒng)同步[5]。也可以與PTP 等其他時鐘信號進行組合，實現(xiàn)更高可靠性的同步效果。

4 結(jié)語

AoIP 作為一種先進的音視頻傳輸技術(shù)，與基帶系統(tǒng)在技術(shù)特點和應(yīng)用場景上高度契合。AoIP 技術(shù)在基帶系統(tǒng)各層面的運用，使得音視頻流的處理更加智能化和精細化，有力推動了基帶系統(tǒng)功能的擴展和升級?，F(xiàn)階段，還需進一步推動不同系統(tǒng)之間的兼容互通，深入總結(jié)用戶應(yīng)用反饋。相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品雖尚未成熟，但其運用已經(jīng)展現(xiàn)出改造提升傳輸系統(tǒng)的積極效果。這為業(yè)內(nèi)提供了寶貴的技術(shù)積累和應(yīng)用經(jīng)驗，有助于找到切實可行的系統(tǒng)IP 化途徑。